Đây chính là công nghệ sẽ giúp máy tính mô phỏng thành công bộ não con người

Ảnh minh họa: VLADGRIN

Mục tiêu hiện nay của các nhà khoa học là tạo ra một máy tính mô phỏng bộ não con người và việc chế tạo thành công các khớp thần kinh nhân tạo (Artificial Synapses) đang góp phần cho việc biến điều đó thành hiện thực. Đó là một bộ phận điện toán linh cảm não (brain-inspired-computing) cung cấp các mô phỏng chân thực nhất như các kết nối giữa các tế bào thần kinh trong não bộ con người.

Hình ảnh các khớp thần kinh. Ảnh minh họa: Amazonaws

Memristor (bộ nhớ điện trở), một thiết bị siêu nhỏ có khả năng "nhớ" từng trạng thái điện năng ngay cả khi đã được tắt đi, mô phỏng con đường con đường các ion canxi hoạt động ở chỗ tiếp hợp giữa hai tế bào thần kinh trong bộ não. Sự liên kết đó được biết đến như là một khớp thần kinh. Các nhà nghiên cứu cho biết, các thiết bị mới có thể dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong các máy tính linh cảm ở não (brain-inspired-computer) hay máy tính mô phỏng não người (neuromorphic-computer), có thể tốt hơn tại việc nhận thức và học tập so với các máy tính truyền thống cũng như hiệu quả năng lượng hơn.

Memristor

Theo trưởng nhóm nghiên cứu Joshua Yang, Giáo sư Kỹ thuật điện và Máy tính tại Đại học Massachusetts Amherst. Trong quá khứ, người ta đã sử dụng các thiết bị như bóng bán dẫn và tụ điện để mô phỏng động lực học của các khớp thần kinh có thể làm việc, nhưng những thiết bị này có rất ít điểm tương đồng với hệ thống sinh học thực sự. Vì vậy, thực hiện theo cách đó không hiệu quả và kết quả trong một khu vực thiết bị lớn hơn, tiêu thụ năng lượng lớn hơn và ít trung thực hơn.

Trong hình ảnh này, các bên phải là các khớp thần kinh sinh học, bên trái là khớp thần kinh nhân tạo. HÌnh ảnh minh họa trong nghiên cứu trước đấy về khớp thần kinh nhân tạo của Wentao Xu và cộng sự.

Phát biểu trên Live Science, Yang cho biết, với động lực học khớp được cung cấp bởi thiết bị của họ, họ có thể mô phỏng khớp thần kinh trong cách tự nhiên hơn, cách trực tiếp hơn với sự trung thực hơn. Không chỉ mô phỏng một loại chức năng khớp, tính năng quan trọng khác và thực sự có được nhiều chức năng khớp với nhau.

Mô phỏng não người

Ảnh minh họa: Newmindjournal

Trong các hệ thống sinh học, khi một xung thần kinh tiếp cận một khớp thần kinh, nó sẽ khiến các kênh mở, cho phép các ion canxi tràn vào các khớp thần kinh. Điều này kích thích giải phóng hóa chất ở não được gọi là dẫn truyền thần kinh, qua khoảng trống giữa hai tế bào thần kinh, chuyển qua thúc đẩy các tế bào thần kinh tiếp theo.

Các bộ nhớ điện trở khuếch tán (diffusive memristor) mới được mô tả trong nghiên cứu bao gồm các cụm nano bạc được gắn vào trong một màng silicon oxynitride được kẹp giữa hai điện cực.

Màng là một chất cách điện, nhưng khi một xung điện áp được đặt vào, một sự kết hợp của nhiệt và lực điện gây ra các cụm bị phá vỡ. Các hạt nano phân tán thông qua màng và cuối cùng tạo thành một sợi dẫn mang dòng điện từ một điện cực tới điện cực khác. Khi điện áp được lấy ra, nhiệt độ sụt giảm và các hạt nano kết hợp trở lại thành cụm.

Các nhà nghiên cứu cho biết, vì quá trình này là rất tương tự với cách các ion canxi hoạt động trong các khớp thần kinh sinh học, thiết bị có thể mô phỏng tính mềm dẻo ngắn hạn trong các tế bào thần kinh. Các dòng của xung điện áp thấp ở tần số cao sẽ tăng dần tính dẫn điện của các thiết bị cho đến khi một dòng điện có thể đi qua, nhưng nếu các xung tiếp tục, tính dẫn này cuối cùng sẽ giảm.

Các nhà nghiên cứu cũng kết hợp memristor khuếch tán của họ với một thiết bị gọi là drift memristor (memristor trôi), dựa trên các điện trường chứ không phải là sự khuếch tán và được tối ưu hóa cho các ứng dụng bộ nhớ. Điều này cho phép các nhà khoa học một dạng dẻo dài hạn gọi là tăng đột biến thời gian phụ thuộc dẻo (STDP), có thể điều chỉnh sức mạnh kết nối giữa các tế bào thần kinh dựa trên thời gian của các xung.

Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng các drift memristor một mình chúng gần đúng các tiếp hợp canxi. Nhưng những memristor được chọn dựa trên quá trình vật lý là rất khác với trong các khớp thần kinh sinh học, làm hạn chế tính trung thực của chúng và sự đa dạng chức năng tiếp hợp có thể.

Theo Yang, memristor khuếch tán đang giúp loại memristor trôi hoạt động tương tự như một khớp thần kinh thực. Kết hợp cả hai dẫn đến sự biểu hiện tự nhiên của STDP, đó là một quy luật tìm hiểu tính dẻo dài hạn rất quan trọng.

Tái tạo chính xác tính dẻo tiếp hợp là rất cần thiết cho việc tạo ra các máy tính có thể hoạt động như não. Yang cho biết đây là mong muốn bởi vì nó hiệu quả nhỏ gọn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với các thiết bị điện tử truyền thống, cũng như là tốt hơn vào những điều như nhận dạng mô hình và học tập. "Bộ não con người vẫn là máy tính hiệu quả nhất được chế tạo", ông nói thêm.

Làm thế nào để xây dựng nó

Yang cho biết nhóm của ông đã sử dụng quy trình chế tạo tương tự như những thứ đang được phát triển bởi các công ty bộ nhớ máy tính để mở rộng quy mô sản xuất memristor. Không phải tất cả các quá trình này có thế sử dụng bạc như một vật liệu, nhưng nghiên cứu chưa được công bố bởi nhóm cho thấy rằng các hạt nano đồng có thể được sử dụng thay vào đó.

Theo giả thuyết, thiết bị có thể làm thậm chí còn nhỏ hơn một khớp thần kinh của con người, vì một phần quan trọng của các giải pháp thiết bị chỉ ngang 4 nm (để so sánh, trung bình một sợi tóc của con người rộng khoảng 100.000 nm). Điều này có thể làm cho các thiết bị hiệu quả hơn nhiều so với thiết bị truyền thống để xây dựng điện toán linh cảm não. Điện tử truyền thống cần khoảng 10 bóng bán dẫn để bắt chước một khớp thần kinh.

Nghiên cứu này là bằng chứng đầy đủ nhất của một khớp thần kinh nhân tạo. Phương pháp này cho thấy khả năng mở rộng và hệ thống đơn vị đơn chắc chắn sẽ có thể bắt tay quy mô của các khớp thần kinh sinh học.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Materials vào ngày 26 tháng 9.

Tham khảo: Live Science